Bagaimana AC arus daya apa pun?

Saya mengerti perbedaan antara AC dan DC. Apa yang saya tidak mengerti adalah bagaimana AC memberi daya apa pun ketika menggunakan kembali elektron yang sama berulang kali saat mereka bergerak bolak-balik?

Gambar visual adalah tautan ini pada 0:35 .

Bukankah itu membutuhkan elektron baru? Akhirnya?

@Jawaban Photon cukup luas, satu-satunya yang hilang adalah, bagaimana energi listrik sekarang ditransfer. Dalam kasus sederhana di mana Anda hanya memiliki semacam beban ohmik, itu persis sama dengan DC, hanya dengan mengganti polaritas.

Jika Anda ingin gambar, bayangkan gergaji: Ini ditarik melalui balok kayu yang sama, bolak-balik. Sawteeth yang sama memungkinkannya untuk menghapus lapisan demi lapisan, karena ada kekuatan (dan kekuatan) yang diterapkan saat bergerak ke kedua arah.

Untuk elektron, ini sangat mirip. Tegangan bergantian terus mendorong mereka melalui beberapa beban. Ketika mereka melewati beban, mereka bergerak dari simpul tegangan tinggi sebelum beban ke simpul tegangan rendah setelah beban, mengeluarkan perbedaan energi antara keadaan pertama dan kedua.

Kemudian polaritas AC dibalik dan lagi, mereka berada pada simpul tegangan tinggi, melewati beban, ke simpul tegangan rendah. Sekali lagi, keadaan mereka sebelumnya memiliki lebih banyak energi, sehingga energi ditransfer ke dalam beban.

Energi yang digunakan dalam sirkuit listrik tidak "terkandung" dalam elektron dan elektron tidak habis ketika energi dikonsumsi dalam suatu sirkuit.

Energi dalam rangkaian dapat datang dalam beberapa bentuk:

medan listrik : Diproduksi ketika pembawa muatan positif dan negatif dipisahkan satu sama lain.

medan magnet : Diproduksi ketika pembawa muatan yang bergerak.

energi kinetik : Biasanya tidak dianggap sebagai bagian dari energi rangkaian listrik, tetapi ia berperan sebagai langkah perantara karena energi dalam rangkaian diubah dari bentuk listrik menjadi bentuk magnetik. Atau, misalnya, ketika medan listrik mempercepat pembawa muatan yang kemudian melepaskan energi kinetiknya untuk menghasilkan getaran termal dalam bahan resistif untuk menghasilkan panas.

radiasi elektromagnetik : Diproduksi ketika medan listrik atau magnet berosilasi menciptakan osilasi mandiri di bidang elektromagnetik.

Sebagai analogi, pertimbangkan pendulum ayun. Energi terus ditransfer antara energi potensial dan energi kinetik dalam massa yang berayun. Tetapi massa pendulum tidak habis dan tidak pernah harus diganti (setidaknya, bukan karena operasi pendulum).

Sunting: Kita tentu saja dapat berbicara tentang fotodioda dan transduser piezoelektrik dan motor dan alat kilat sinar gamma dan perangkat lain yang memungkinkan sirkuit mengubah energi ke berbagai bentuk lainnya. Saya mengabaikan kasus-kasus khusus di sini dan hanya berbicara tentang energi yang terlibat ketika melakukan analisis rangkaian.

Saya rasa Anda memiliki kesalahpahaman tentang bagaimana energi DC ditransfer dari sumber ke beban yang menghambat kemampuan Anda untuk memahami bagaimana energi AC ditransfer.

Gambaran yang dimiliki banyak orang di kepala mereka adalah bahwa sumber daya entah bagaimana memberikan energi kepada elektron. Elektron kemudian mengalir ke bawah kawat yang membawa energi ini dan kemudian melepaskan energi ketika elektron mengalir melalui beban. Saya berani bertaruh bahwa gambaran mental Anda tentang listrik adalah seperti ini. Dan jika itu dekat dengan cara Anda melihat listrik, maka pertanyaan tentang bagaimana sumber energi AC mentransfer energi membingungkan. Bagaimanapun, elektron tidak mengalir bolak-balik 50 atau 60 kali per detik dari bola lampu di dapur Anda sepanjang jalan kembali ke generator di pembangkit listrik. Kita tahu elektron bergerak jauh, jauh lebih lambat dari itu (mereka bergerak dengan urutan satu meter per jam, tergantung pada sejumlah faktor seperti arus, ukuran konduktor, dll.). Dan mengingat ada trafo di antara lampu dapur Anda dan generator, itu membuat semakin tidak masuk akal, karena mereka adalah 2 sirkuit listrik yang berbeda yang memiliki elektron berbeda di dalamnya. Kabel bahkan tidak terhubung.

Tapi ini bukan cara kerjanya. Energi tidak dibawa dari sumber ke beban melalui elektron. Energi bahkan tidak mengalir di kabel. Alih-alih, energi listrik bergerak dari sumber listrik ke beban listrik melalui medan elektromagnetik (EM) di ruang yang mengelilingi sumber, kabel, dan beban.

Lihatlah gambar di bawah ini dari rangkaian DC yang terdiri dari baterai, beberapa kawat dan resistor. Panah hijau mewakili medan magnet yang muncul karena aliran arus. Panah merah mewakili medan listrik karena sumber tegangan. Panah biru mewakili kerapatan fluks energi, atau vektor Poynting , yang merupakan produk silang dari medan listrik dan magnet. Vektor Poynting dapat dianggap sebagai laju transfer energi per area.

Perhatikan aliran energi dari baterai ke resistor. Juga perhatikan bahwa energi mengalir ke resistor bukan dari kawat tetapi melalui ruang yang mengelilingi kabel.

Jika Anda mengganti sumber DC dengan sumber AC, Anda harus dapat meyakinkan diri Anda - dengan melihat medan listrik dan magnet - bahwa vektor Poynting masih menunjuk dari sumber ke beban meskipun arus sedang beralih arah. Karena vektor Poynting adalah produk silang dari dua bidang, arahnya tetap sama meskipun bidang berubah.

Ada beberapa pertanyaan dalam komentar tentang validitas ilmiah dari apa yang saya katakan di atas. Bagaimana energi elektromagnetik bergerak di sirkuit telah dikenal selama beberapa waktu ... sejak setidaknya 1800-an. Vektor Poynting, dinamai setelah John Henry Poynting yang menjelaskan teori ini dalam sebuah makalah pada tahun 1884, berjudul Pada Transfer Energi di Bidang Elektromagnetik . Makalah ini cukup mudah dibaca dan menjelaskan teorinya dengan cukup baik. Dia menjelaskan:

Dahulu arus dianggap sebagai sesuatu yang bergerak di sepanjang konduktor, perhatian terutama diarahkan ke konduktor, dan energi yang muncul di bagian mana pun dari sirkuit, jika dianggap sama sekali, seharusnya dikirim ke sana melalui konduktor oleh arus. Tetapi keberadaan arus yang diinduksi dan tindakan elektromagnetik pada jarak dari sirkuit utama dari mana mereka menarik energi mereka telah membawa kami, di bawah bimbingan Faraday dan Maxwell, untuk melihat media di sekitar konduktor sebagai memainkan peran yang sangat penting dalam perkembangan fenomena. Jika kita percaya pada kontinuitas gerakan energi, yaitu, jika kita percaya bahwa ketika energi itu menghilang pada satu titik dan muncul kembali di titik lain, ia pasti telah melewati ruang intervensi,

Dia melanjutkan dengan mengatakan:

Dimulai dengan teori Maxwell, kita secara alami diarahkan untuk mempertimbangkan masalah: Bagaimana energi tentang arus listrik berpindah dari satu titik ke titik lainnya - yaitu, melalui jalur apa dan menurut hukum apa ia bergerak dari bagian sirkuit di mana ia apakah pertama-tama dapat dikenali sebagai listrik dan magnet pada bagian-bagian yang diubah menjadi panas atau bentuk lainnya?

$4\pi$

Dia kemudian menunjukkan bagaimana energi masuk dan memanaskan kawat:

Tampaknya kemudian bahwa tidak ada energi dari arus yang bergerak di sepanjang kawat, tetapi bahwa ia datang dari media non-konduktor yang mengelilingi kawat, bahwa segera setelah masuk ia mulai diubah menjadi panas, jumlah yang melintasi lapisan berturut-turut dari kawat berkurang sampai pada saat pusat tercapai, di mana tidak ada gaya magnet, dan karena itu tidak ada energi yang lewat, semuanya telah diubah menjadi panas. Arus konduksi dapat dikatakan terdiri dari aliran energi ke dalam ini dengan gaya magnet dan elektromotif yang menyertainya, dan transformasi energi menjadi panas di dalam konduktor.

Richard Feynman juga membicarakan hal ini dalam kuliahnya tentang fisika . Setelah penjelasan tentang fenomena ini, Feynman mendapatkan bagaimana kapasitor pengisian mendapatkan energinya, lalu berkata:

Tapi itu memberi tahu kita hal yang aneh: bahwa ketika kita mengisi kapasitor, energi tidak turun kabel; itu masuk melalui tepi celah.

Feynman kemudian, seperti Poynting, menjelaskan bagaimana energi memasuki kawat:

Sebagai contoh lain, kami bertanya apa yang terjadi pada selembar kawat resistansi saat membawa arus. Karena kawat memiliki resistansi, ada medan listrik di sepanjang itu, yang menggerakkan arus. Karena ada potensi penurunan di sepanjang kawat, ada juga medan listrik tepat di luar kawat, sejajar dengan permukaan. Selain itu, ada medan magnet yang mengelilingi kawat karena arus. E dan B berada di sudut kanan; oleh karena itu ada vektor Poynting yang diarahkan secara radial ke dalam, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Ada aliran energi ke dalam kawat di sekelilingnya. Ini, tentu saja, sama dengan energi yang hilang dalam kawat dalam bentuk panas. Jadi teori "gila" kami mengatakan bahwa elektron mendapatkan energi mereka untuk menghasilkan panas karena energi yang mengalir ke kawat dari medan luar. Intuisi kelihatannya memberi tahu kita bahwa elektron mendapatkan energi dari didorong di sepanjang kabel, sehingga energi harus mengalir ke bawah (atau ke atas) di sepanjang kabel. Tetapi teori mengatakan bahwa elektron benar-benar didorong oleh medan listrik, yang berasal dari beberapa muatan yang sangat jauh, dan bahwa elektron mendapatkan energi mereka untuk menghasilkan panas dari medan ini. Energi entah bagaimana mengalir dari muatan yang jauh ke area ruang yang luas dan kemudian ke dalam ke kawat. dan bahwa elektron mendapatkan energi mereka untuk menghasilkan panas dari bidang ini. Energi entah bagaimana mengalir dari muatan yang jauh ke area ruang yang luas dan kemudian ke dalam ke kawat. dan bahwa elektron mendapatkan energi mereka untuk menghasilkan panas dari bidang ini. Energi entah bagaimana mengalir dari muatan yang jauh ke area ruang yang luas dan kemudian ke dalam ke kawat.

Yang perlu Anda ketahui adalah P = IV I adalah elektron bolak-balik. Selama waktu ketika elektron bergerak kembali, V selalu negatif, sehingga tanda P = (-) * (-) positif. Jadi pekerjaan positif (misalnya memanaskan filamen tungsten bola lampu) dilakukan selama aliran arus maju dan mundur.

Abaikan elektronnya. Belajar tentang listrik melalui elektron akan menyesatkan Anda hampir sepanjang waktu. Untuk satu hal, mereka pergi ke arah yang salah. Kedua, mereka bepergian dengan kecepatan yang salah. Kecepatan drift jauh lebih lambat daripada kecepatan sinyal listrik.

Transmisi listrik dalam logam lebih mirip "Newton's Cradle" : elektron masuk di satu ujung, gaya ditransmisikan melalui tolakan medan listrik, dan elektron keluar dari ujung lainnya.

(Situasi di mana Anda perlu peduli dengan elektron: persimpangan semikonduktor, tabung sinar katoda, perangkat pelepasan gas, katup termionik.)

Saya hanya ingin secara eksplisit menyatakan bahwa listrik hanyalah energi yang digunakan untuk memindahkan elektron. Elektron tidak pernah dibuat, atau hilang, atau diisi, atau dikonsumsi. Semua pekerjaan yang dilakukan dengan listrik dilakukan dengan pergerakan elektron.

Untuk menggunakan analogi klise mekanika air, bayangkan saluran air dengan turbin di dalamnya. Jika air tidak mengalir, turbin tidak berputar dan tidak ada pekerjaan yang dilakukan. Jika air mengalir terus menerus (seperti dalam arus searah) turbin juga akan berputar terus menerus dan pekerjaan sedang dilakukan. Demikian juga, jika air mengalir bolak-balik (arus bolak-balik), turbin juga akan berputar bolak-balik, dan pekerjaan sedang dilakukan. Pada titik tidak ada status, kualitas, atau kuantitas air yang pernah berubah, selain yang berkaitan dengan aliran.

Turbin bolak-balik sama bermanfaatnya dengan turbin yang terus berputar, tetapi harus diterapkan secara berbeda. Juga, seperti halnya listrik, jika mekanisme yang benar diterapkan, rotasi dari poros yang terpasang ke turbin yang terus berputar dapat diubah menjadi poros berosilasi, dan sebaliknya.

Anda tidak perlu khawatir tentang elektron untuk sirkuit pada umumnya; di perangkat super kecil seperti pada IC, mungkin.

Bergantung pada seberapa dalam teori yang ingin Anda tuju, tetapi secara umum Anda memikirkan elektron yang mengalir seperti air dalam selang, begitu air digerakkan, itulah yang berhasil, kekuatan apa yang membuat air bergerak?

Trafo hanya 2 gulungan kawat dekat satu sama lain, itu hanya berfungsi karena AC, kabel tembaga bereaksi dengan PERUBAHAN arus, jika DC itu akan duduk di sana dan tidak ada daya yang didapat melalui. Kapan perubahan saat ini? Saat itulah daya ditransfer di dalam transformator dari satu koil ke koil lainnya.

jadi jika Anda memasukkan DC ke dalam gulungan kawat itu menjadi magnet. Jika Anda memindahkan magnet itu dan koil lain di dekatnya? itu akan mengambil saat ini. Ini jelas bukan energi gratis. Alternator mobil bekerja seperti ini, bagian tengah menjadi magnet (bagian yang berputar) dan gulungan dililit dan disetel dekat dengan dinamo berputar dan mengambil arus, biasanya 3 gulungan. Salah satu cara (berbahaya) untuk menguji apakah sebuah alternator bekerja, nyalakan kunci mesin untuk Menjalankan, jangan memulainya, dan letakkan obeng magnet di tengah katrol alternator, jika alternator menyala? obeng akan sangat ditarik ke dalam katrol itu. Jika tidak? ini biasanya karena sikat dipakai atau alternator tidak bagus.

Saya pikir penjelasan tentang bagaimana alternator bekerja akan membantu memvisualisasikan AC

Gaya yang diterapkan (Tegangan) dalam rangkaian menyebabkan medan listrik yang menyebabkan elektron (partikel atom bermuatan) bergerak ke arah tertentu (sangat cepat, tetapi jaraknya sangat pendek). Elektron-elektron tersebut mempengaruhi elektron terdekat lainnya dengan menabraknya (elektron saling magnetis saling tolak, sehingga gaya yang diberikan ditransfer melalui atom konduktor dengan sangat cepat). Elektron-elektron lain itu sedikit menahan tonjolan & panas itu sedikit, tetapi sebagian besar energi mengalir melalui sirkuit sebagai gelombang energi yang pada akhirnya membuat jalannya ke perangkat untuk melakukan beberapa pekerjaan (mis. Menyalakan bola lampu, menyebabkan bahan yang sangat resistif untuk memanas, atau belitan pada motor menyebabkan gaya magnet untuk memutar rotor motor, dll). Elektron yang mengelilingi atom dalam konduktor hanya bertindak sebagai media untuk energi mengalir melalui mereka - seperti air di kolam yang bereaksi terhadap kerikil yang jatuh. Anda tidak perlu lebih banyak air agar gelombang energi mengalir melalui kolam - tetapi begitu energi dihamburkan (atau arus listrik berhenti), pertunjukan sudah berakhir - itulah sifat dari transfer energi listrik.

Ini adalah pergerakan elektron yang mentransfer energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Elektron tidak terbiasa, mereka hanya bergerak dan dalam proses mentransfer energi dari satu titik ke titik lainnya.